一文帶你深入瞭解java和函數語言程式設計
技術標籤：程式設計正規化javajava程式語言lambda函數語言程式設計
什麼是函數語言程式設計
函式不同於OOP中的方法，可以理解成數學中的函式，是一種將輸入集與輸出集關聯的表示式。和指令式程式設計不同，函數語言程式設計只取決於它的輸入，不依賴於函式外狀態。
程式設計正規化的分類: 程式設計正規化可以分為命令式和宣告式。
- 命令式將程式定義為一系列語句。通過語句改變程式的狀態，最終達到最終的狀態，面向狀態程式設計。OOP是命令式正規化的擴充套件。
- 宣告式正規化專注於“程式要實現什麼”，而不是“程式如何實現”，面向行為程式設計。函數語言程式設計是宣告式程式設計的子集。
函式式核心概念
Haskell是純函式式語言，入門曲線高，使用範圍小。當今大多數流行語言都是支援多種程式設計方式的，例如java、Scala、Kotlin。以下結合java舉例。
函式是一等值
如果一種程式語言將函式視為一等公民，那麼它就被稱為具有一等函式。這意味著函式支援其他一等值都具有的操作: 賦值給變數、作為引數傳遞、動態生成、作為其他函式返回值返回等。
static <T> Function<T, T> compose(Supplier<T> supplier, Function<T, T> map) { // 做引數，做返回值
return data - 高階函式
將函式看做一等值，等價於語言中值的存在，就很自然的想能不能寫一個函式，實現一些傳入函式，返回一個函式? 這就是高階函式。上文的示例其實就是一個高階函式。
高階函式也叫複合函式。在java中通常通過函式式介面的default方法來實現的。例如Function的java.util.function.Function#compose和java.util.function.Function#andThen。當然也可以自己實現函式的複合。
default <V> Function<V, R> 在java中，Stream的使用(Optional不是)近似於高階函式，如下程式碼所示。
@Test
public void test_Stream() {
Stream<Integer> stream = Stream.of(1).map(i -> {
System.out.println(i);
return 1;
});
// 不會輸出1
}
純函式
純函式是沒有狀態的、無副作用的。可以簡單的認為: 你搞幾次都是沒有關係的~
這和OOP衝突。面向物件鼓勵我們將物件的狀態隱藏，只公開訪問和修改物件的必要方法。甚至，將資料儲存到資料庫中，對於純函式而言也是“有副作用”的。更有甚者，連打日誌都認為是一種副作用。
在實際生產中，我們要有自己的界限與衡量標準，不是“純”的就一定是好的、是先進的。
此外，純函式通常認為是不應該丟擲任何異常的。
不可變性
不變性是函數語言程式設計的核心原則之一。例如Clojure，預設上變數是不可變的，如果你要改變變數，你需要把變數copy出去修改。這對於並行程式來說，bug會大大減少。java中可以通過final來實現。
不可變的資料結構所有欄位都是不可變的，其巢狀資料結構也要滿足不可變性。除建構函式外應該沒有其他的set方法。
Referential Transparency 透明引用
函式的返回值只依賴於其輸入值，這種特性就稱為引用透明性（referential transparency）
如果將表示式替換為其相應的值對程式的行為沒有影響，那麼我們稱之為引用透明。這需要函式是純粹的、不可變的。它產生了一個與上下文無關的程式碼塊，可以在任意地方、以任意順序執行。這提供了許多優化的可能性。
尾遞迴優化
迭代呼叫發生在函式的最後。因此不需要沒深入呼叫一層就新建一個棧。
需要編譯器支援，目前java還不支援，Scala和Groovy都已經支援了。本質上就是通過重用棧的方式來優化遞迴的效能損耗。
Monads
一個自函子範疇上的么半群。
這個解釋太費腦了，摘自阮一峰的解釋更容易理解些: Monad就是一種設計模式，表示將一個運算過程，通過函式拆解成互相連線的多個步驟。
再簡單點理解: 利用map、reduce、predict等方式的流式程式設計。
在java中，Monads可以具象成Optional、Stream、CompletableFuture等。比如Optional 可以包裝一個值並應用一系列轉換，例如使用 flatMap新增另一個包裝值的轉換。
Currying 科裡
在傳遞函式時，該函式是攜帶引數進行傳遞的。
區域性套用是一種數學技巧，它將一個接受多個引數的函式轉換成一個接受單個引數的函式序列。在這種技術中，可以不需要呼叫一個函式的所有引數。
以下舉一個例子說明:
// 根據入參mass來獲得一個Function，該Function輸入gravity，輸出mass * gravity
Function<Double, Function<Double, Double>> weight = mass -> (gravity -> mass * gravity);
// 地球上的重力函式
Double, Double> weightOnEarth = weight.apply(9.81);
logger.log(Level.INFO, "在地球上我的體重為" + weightOnEarth.apply(60.0));
// 火星上的重力函式
Function<Double, Double> weightOnMars = weight.apply(3.75);
logger.log(Level.INFO, "在火星上我的體重為: " + weightOnMars.apply(60.0));
如果不用Currying，可能在計算重力時還要再傳入一個mass引數。
Currying 依賴於語言來提供兩個基本特性: lambda 表示式和閉包。
和其他語言不同，java8中的閉包要求lambda表示式中的變數必須是final修飾的或實際上是final的，這是出於執行緒安全的考慮。
為什麼要學習函數語言程式設計
更高效的支援併發
函數語言程式設計要求，只使用表示式，不使用語句。也就是說，每一步都是單純的運算，而且都有返回值。根據前文中的“純函式”定義和“透明引用”的定義，可以知道任意執行順序時是不會影響最終的結果。
因此，在併發環境下，函數語言程式設計編寫安全、高效能的程式碼更為容易。
程式碼簡潔、複用度高
函數語言程式設計大量使用函式，減少了程式碼的重複，因此程式比較短，開發速度較快。
設計良好的函數語言程式設計不會
程式碼易於測試、易於管理
設計良好的函數語言程式設計不依賴於外界狀態、輸入輸出保持一致，這很利於“單元測試”的進行。
java對函式式的支援
java8提供了lambda表示式、方法引用、預定義函式介面來適配函數語言程式設計。
java將lambda表示式看做函式式介面的物件例項，但這在設計層面上就已經滿足一等值的概念了。
函式式介面
jdk已經提供了一系列的函式式介面(Package java.util.function)了，例如Consumer、Supplier、Function、Predicate以及其他的出於拆箱裝箱效能損耗的DoubleConsumer、IntPredicate，和基於多引數的BiConsumer等。
如果function包下的介面還不能滿足你的需求，可以配合桑除蟲@FunctionalInterface宣告自己的函式式介面。對於函式式介面而言，@FunctionalInterface其實是可加可不加的，它的作用是在編譯時看看你的函式式介面是否只有一個例項方法。
因為在java中，是通過例項化函式式介面的方式(常基於lambda表示式)來進行函式式支援的。
// 自定義消費int的函式式介面
@FunctionalInterface
interface consumeInt {
void consume(int i);
}
// 例項化函式式介面
consumeInt consumeInt = i -> System.out.println(i);
lambda表示式
lambda表示式的語法很簡單:
(parameters) -> expression // 若只有一條執行語句的話不帶{}
或
(parameters) ->{ statements; } // 多條執行語句帶{}，且帶;
lambda表示式會自動推斷引數的型別。一般來說是依賴於函式式介面指定的引數型別，但配合java範型的使用使lambda表示式擁有更為豐富的表達能力:
Function<String, String> function = str -> // 使用範型指定傳入String 傳出String
new StringBuilder(str).append("-").append(str.length()).toString();
// 當然也可以手動指定型別
Function<String, String> function = (String str)->...
方法引用
方法引用可以分為四類: 指向靜態方法的、指向lambda表示式中變數的例項方法的、指向外部物件的例項方法的、建構函式的。
在java中方法的宣告包括6個方面:修飾符、返回值、方法名、方法引數、異常列表、方法體。使用方法引用時:
- 修飾符要複合條件(訪問不到的方法自然方法引用也不可用)
- 確保方法簽名的匹配( 方法簽名包含返回值和方法引數)
- 確保異常列表的相容。(要求被引用的方法比需要的方法異常列表更小)
public class FunctionRefSt {
// 靜態方法
public static int length(String str) {
return str.length();
}
// 例項方法
public int lengthIns(String str) {
return str.length();
}
// 四種引用的展示
@Test
public void funcRef() {
Optional<String> opt = Optional.of("hello world");
/*以下三種輸出都是11*/
// 靜態方法引用
opt.map(FunctionRefSt::length).ifPresent(System.out::println);
// 內部例項方法引用
opt.map(String::length).ifPresent(System.out::println);
// 外部例項方法引用
FunctionRefSt functionRefSt = new FunctionRefSt();
opt.map(functionRefSt::lengthIns).ifPresent(System.out::println);
/*建構函式引用例項*/
// 利用optional避免空指標
System.out.println(Optional.<List>ofNullable(null).orElseGet(/*引用了構造方法*/ArrayList::new).size());
//輸出0
}
}
模式匹配
模式匹配可以簡單的理解成增強switch表示式。java8目前還不支援模式匹配，其switch能支援的匹配型別還是比較少的: 列舉、String、byte、short、int、char以及一些基本型別的包裝類。在java12之後，switch表示式進行了一番的優化，jdk13switch特性:
// jdk12
switch (type) {
case "all" -> System.out.println("列出所有帖子");
case "auditing" -> System.out.println("列出稽核中的帖子");
case "accepted" -> System.out.println("列出稽核通過的帖子");
case "rejected" -> System.out.println("列出稽核不通過的帖子");
default -> System.out.println("引數'type'錯誤，請檢查");
}
// jdk13
String value = switch (i) {
case 0 -> "zero"
case 1 -> "one"
case 2 -> "two"
default -> "many"
};
System.out.println(value);
總結
在java中函數語言程式設計有兩大核心利器: Optional和Stream。
關於Optional的更多學習連結可以看看這個文章哦: 你真的知道Optional怎麼使用嗎?
異常:一般來說，函式是處理不了異常的。而且設計良好的函式是可以預計到所有的異常，並有一個合適的輸出。所以對於異常情況可以定義一些特殊值來處理: 比如Optional.empty()。
副作用可以是日誌、儲存到DB、更新快取、RPC呼叫等等，編碼是絕對離不開副作用的，name怎麼處理副作用呢?
一般來說，處理副作用有兩種方法，但是核心都是抽取有副作用的程式碼和沒有副作用的程式碼，將他們隔離開來。
他們有兩個專業術語: 1. Functor函子(在java中使用Stream、Optional來實現) 2. 將可變部分抽取出來。
最後，java8只是提供了函數語言程式設計的一些語法糖，至於是否能用到函數語言程式設計提供的優點，還需要滿足一系列的“函數語言程式設計要求”哦。
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